杨 斐，刘景林，董亮辉

(西北工业大学，陕西西安710072)

0 引 言

本文设计的两相混合式步进电动机驱动器用于一种高精度、快响应对日定向伺服系统，该伺服系统结构组成如图1所示。驱动器根据位置误差传感信号分别驱动系统水平面和俯仰面步进电动机，带动传动装置，使太阳能帆板和太阳光线保持垂直，以达到最高的太阳利用率。

图1 伺服系统结构组成图

为了满足该伺服系统的高精度要求，改善步进电动机低速运行时的转矩脉动、振荡及噪声，本文采用了细分驱动技术;但当系统运行在高细分状态下时，系统的响应性能有所损失。为了同时满足该伺服系统的快响应要求，本文提出了动态多细分调节的控制策略:当伺服系统的位置误差较大时，步进电动机运行在低细分或整步状态，实现伺服系统的快速跟踪;当位置误差减小时，增加步进电动机的细分数，保证跟踪精度。在步进电动机动态运行过程中，为了避免细分数切换造成的失步现象，本文采用了自适应细分控制方法，使得步进电动机在细分切换的过程中保持转速恒定，从而实现了步进电动机动态运行时细分数的稳定调节。

1 动态多细分驱动技术原理

1.1 细分驱动原理

步进电动机的细分控制从本质上讲是对步进电动机励磁绕组的电流进行控制，使得步进电动机内部合成磁场为均匀的、离散化的圆形旋转磁场，实现步进电动机步距角的细分［1］。对于两相混合式步进电动机，向A、B两相分别通以幅值相同、相位相差的正弦波电流时，其合成电流矢量与合成磁场矢量将在空间做幅值恒定的旋转运动。此时，A、B两相绕组的电流:

式中:im为电机的额定电流峰值;α为A、B两相合成磁场矢量与A相磁场矢量的夹角。

1.2 动态多细分调节控制

按照传统的控制方式，步进电动机运行过程中细分状态不发生变化，对于高精度、快响应对日定向跟踪伺服系统，应预先设定步进电动机工作在最高细分状态以保证系统的跟踪精度。由步进电动机细分驱动时的转速公式可知，细分状态不变时，只能通过改变驱动脉冲的频率来控制电机的转速。当位置误差较大时，需增大驱动脉冲频率、提高电机的转速以满足系统的快响应要求。但此时步进电动机运行在高细分、高驱动脉冲频率情形下，将出现绕组相电流波形不对称现象，有可能造成步进电动机失步，降低了系统的可靠性。另外，高频脉冲驱动条件下开关管的损耗也相应增加，电机发热严重。

为了解决上述问题，本文提出了动态多细分控制策略:当位置误差较大时，步进电动机工作在整步状态以提高系统的响应速度。这样一来，在相同的脉冲频率下，整步运行提升了步进电动机的转速，使得位置误差迅速减小。随着位置误差的减小，逐步提高步进电动机的细分数至最大细分数128，以满足跟踪系统高精度要求。步进电动机的细分状态、驱动脉冲频率和转速随位置误差变化的关系如图2所示。

图2 动态多细分调节示意图

1.3 自适应细分控制原理

细分驱动时，步进电动机的转速n和细分数S满足以下关系:

式中:ZR为转子齿数，由电机结构决定;N为电机运行拍数，细分驱动时N为定值。在细分状态动态切换的过程中，细分数S成倍变化，若驱动脉冲信号频率保持不变，步进电动机的转速将发生突变，造成步进电动机失步，影响伺服系统的稳定性。为了解决上述问题，本文采用自适应细分技术，在细分切换时相应地改变步进电动机驱动脉冲信号的频率f:细分数变为原来的K或1/K时，用于驱动步进电动机的脉冲频率f应相应地改变为原来的K或1/K［2］。具体来讲，当细分状态由整步变为半步时，歩距角减少了一半，故步进电动机相应的驱动脉冲应变为原来的2倍，使得细分数变化时电机转速保持恒定。

2 系统的硬件实现

本文设计的两相混合式步进电动机动态多细分调节驱动系统的硬件组成如图3所示，包括控制信号输入单元、控制器单元、电源转换单元以及功率驱动单元。具有多种细分数选择，输出电流可调，自适应定细分选择等功能。

图3 步进电动机驱动系统结构框图

输入单元输入的控制信号有复位、起停、正反转、误差信号(用输入脉冲信号的频率表示误差的大小)等。控制器单元以Altera公司的MAXⅡ系列型号为EPM570T100C3的CPLD器件为核心，配以晶振电路和JTAG接口，构成控制器的最小系统。电源转换单元将输入的28 V直流电压分别转换成CPLD所需要的3.3 V电压和D/A转换器所需要的5 V电压。

功率驱动单元包含一个双通道D/A转换器和一个双通道恒流驱动芯片。D/A转换器选用PBM3960芯片，分时完成两路8位数字信号到模拟信号的转换［3］。驱动单元以PBL3771芯片为核心，该芯片内部集成了时钟振荡器、比较器、触发器以及两个内部带续流二极管的H桥，应用固定关断时间的PWM恒流控制方法，控制两相混合式步进电动机A、B两相电流的大小和方向［4］。

3 系统的软件实现及时序仿真

3.1 CPLD软件内部模块框图

本文应用VHDL硬件描述语言编写了软件程序。CPLD控制器首先根据当前系统误差值解算出当前系统的细分数、驱动脉冲频率和A、B两相电流数据的地址值，然后通过正弦波查表的方法计算出两相电流的数据值，最后在驱动脉冲的正半周期，发送相应的D/A控制信号分时进行A、B两相的D/A转换。本文采用模块化设计方法将软件内部分为3个模块:自适应细分模块、D/A转换控制模块以及正弦波查表输出模块，其模块组成如图4所示。

图4 软件内部模块框图

3.2 自适应细分模块

自适应细分模块本质上就是一个频率变换模块。当输入误差的大小(本文用方波信号cp_in的频率大小来表示误差信号的值)隶属于不同数值范围时，相应地改变步进电动机驱动系统的细分数choice和驱动脉冲信号cp_out的频率，以实现自适应细分。

图5为自适应细分模块程序在QuartusⅡ9.0软件运行环境中的时序仿真结果，系统前半部分运行在64细分状态，后半部分选择128细分。从图5可知，当细分数由64变为128时，输出脉冲信号cp_out的频率由原先输入脉冲信号cp_in频率的一半变为与输入脉冲信号相同，实现了自适应细分。

图5 自适应细分模块时序仿真结果

3.3 正弦波查表模块

该模块根据当前的细分数和电机转向设定值，计算出A、B两相电流数据的地址值并应用查表法计算出该地址所对应的数据值。在本设计中，将0～π这1/2周期的正弦波的幅值离散化为256个数值 A0、A1～A255存入 CPLD 中，其中k=0，1，2，…，255。将这 256 个值分别和 00000000到11111111这256个地址一一对应。与此同时，在驱动脉冲的正半周期，该模块根据A0和A1的取值，按照DA控制的时序要求，分时输出A、B两相的电流值至PBM3960数模转换芯片的D7～D0端口。

3.4 数模控制模块

本文采用有限状态机(Finite State Machine)的设计方法实现D/A转换芯片的时序控制，该方法可实现有效、可靠的时序逻辑控制［5］。系统复位后进入空闲状态idle;当输出脉冲cp_out的上升沿到来时进入A相D/A转换的第一个状态a_ready，该状态为DA转换数据的准备阶段;然后进入A相的第二个状态a_wr，A相开始进行DA转换，并保持一定的宽度，以满足写使能信号的要求;之后进入a_hold状态，等待A相DA转换完成。B相的时序与A相相同，D/A转换状态机转化图如图6所示。

图6 D/A转换状态机转化图

图7为D/A转换控制模块软件在QuartusⅡ9.0环境下的时序仿真结果。该模块在驱动脉冲信号cp_out的正半周期共输出两个写信号(wr=0)，分别对应于a0=0、a1=0和a0=1、a1=0这两个状态，完成了A、B两相的D/A转换。

图7 D/A时序控制仿真结果

4 实验结果及分析

图8给出了2细分、4细分、8细分和128细分状态下A相绕组的电流波形。从实验结果可知，A相绕组电流波形为正弦包络的阶梯波，且细分数越高，电流波形越接近正弦、电机转矩波动越小、运行越平稳。

图8 A相电流绕组电流实验波形

5 结 语

本文以CPLD为控制核心，选用PBL3771步进电动机专用驱动芯片，结合细分驱动技术和自适应细分方法，提出了步进电动机动态多细分控制方法，并制作了一个两相混合式步进电动机控制驱动器。实验结果表明，该驱动系统设计功能正确、运行可靠，可以实现步进电动机动态运行过成中细分数的稳定调节，使得步进电动机在位置误差大时采用整步或低细分数运行，带动传动装置快速旋转，迅速减小误差;误差小时，运行在高细分状态，以较低的速度带动传动装置，保证系统的跟踪精度。

［1］ 徐志跃，文招金，陈伟海.基于FPGA的两相步进电机细分驱动电路设计［J］.电气传动，2008，38(4):59-62.

［2］ 张洪波.宽速自适应细分步进电机驱动器研究［D］.西安:西北工业大学，2007.

［3］ Ericsson.PBM3960-Microstepping controller/dual digital-toanalog converter［M］.1999.

［4］ Ericsson.PBL3771-Precision stepper motor driver，datasheet.1999.

［5］ 姜立东.VHDL语言程序设计及应用［M］.北京:北京邮电大学出版社，2001.

［6］ Altera Corporation.QuartusⅡintroduction［M］.2008.

［7］ Yang Mengda，Zhu Min.A research of a new technique on hardware implementation of control algorithm of high-subdivision for stepper motor［C］//5th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications.Taichung，2010.

［8］ 刘宝廷，程树康.步进电动机及其驱动控制系统［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1997:159-162.

［9］ Altera Corporation.MAXⅡdevice handbook［M］.2008